RANCANGAN PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR

(PMSG) 12 SLOT 8 POLE DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE

MAGNET INFOLYTICA 7.5

Disusun sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Studi Strata I

pada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik

Oleh:

MOHAMAD NUR KHOLIS

D400160015

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2020

i

ii

iii

1

RANCANGAN PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR (PMSG) 12 SLOT 8

POLE DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE MAGNET INFOLYTICA 7.5

Abstrak

Generator adalah suatu alat atau mesin yang mengonversi energi mekanik menjadi energi

listrik, dengan proses induksi elektromagnetik. Perancangan generator menggunakan

software sangat berguna karena mampu menyimulasikan diameter, material, ketebalan,

jumlah lilitan dan kecepatan putar generator, sehingga saat melakukan pembuatan

generator bisa mencapai tingkat keberhasilan yang tinggi. Generator sinkron magnet

permanent / Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) merupakan salah satu

komponen utama Pembangkit Listrik Tenaga Angin (PLTB) di PT. Lentera Bumi

Nusantara. Pada topik ini akan dilakukan perancangan Permanent Magnet Synchronous

Generator (PMSG) dengan menggunakan software MagNet Infolytica 7.5. Rancangan

akan dibuat dengan menggunakan kombinasi pemodelan 12 slot 8 pole (12S8P) dan

disimulasikan pada software MagNet Infolytical 7.5. Generator dapat digunakan untuk

Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB) karena dapat bekerja pada putaran rendah,

dengan kecepatan angin yang fluktuatif generator tersebut dapat menghasilkan energi

listrik skala mikro. Tujuan penelitian ini adalah menganalisa hasil pengujian rancangan

generator sinkron magnet permanent dengan dilakukan pengujian secara simulasi tanpa

beban, simulasi variasi beban dan variasi RPM. Berdasarkan hasil uji simulasi tanpa

beban didapatkan nilai tegangan tertinggi sebesar 361,8 volt dengan kecepatan 2000 rpm,

sedangkan uji simulasi berbeban dilakuakn analisa dengan melihat grafik besaran

tegangan, daya input dan daya keluaran. Didapatkan efisiensi terendah 83 % dan

tertinggi 89 % pada generator.

Kata Kunci: PMSG, 12 slot 8 pole, PLTB, MagNet Infolytica

Abstract

Generator is a device or machine that convert mechanical energy into electrical energy,

by electromagnetic induction process.The generator design using software is very useful

because it is able to simulate the diameter, material, thicknees, number of turns and speed

of the generator, so the when making a generator it can achieve a high level of success.

Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) is one of the main components of

the Bayu power plant (PLTB) at PT. Lentera Bumi Nusantara. On this topic the design of

Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) will be carried out using MagNet

Infolytica 7.5 software. The design will be made using a combination of modeling 12

slots 8 pole (12S8P) and simulated on MagNet Infolytical 7.5 software. The generator

can be used for bayu power plants (PLTB) because it can work at low rotations, with

fluctuating wind speeds, the generator can produce micro scale electrical energy. The

purpose of this study is to analyze the results of testing the design of Permanent Magnet

synchronous generator by testing it with a no-load simulation, a simulation of load

variations and RPM variations. Based on the result of the no-load simulation test, the

highest voltage value is 361,8 volts with a speed of 2000 rpm, while the simulation test

load is analyzed by lookingat the graph of voltage magnitude, input power and output

power so that the lowest efficiency is 83% and 89% at the generator.

Keywords: PMSG, 12 slot 8 pole, PLTB, MagNet Infolytica

2

1. PENDAHULUAN

Indonesia merupakan negara maritim dengan luas perairan 3.110.000 km2 (Kementrian

Koodinator Kemaritiman, 2018). Indonesia merupakan salah satu negara dengan panjang garis pantai

terpanjang di dunia yaitu sebesar 108.000 km. Kondisi Indonesia yang didominasi oleh perairan

memiliki potensi energi alternatif yang tinggi. Salah satu potensi energi alternatif tersebut adalah

energi angin.

Energi Angin ialah salah satu energi baru terbarukan yang potensinya sangat besar di

Indonesia dan masih belum dapat dimaksimalkan. Meskipun kecepatan angin di Indonesia tidak

sekencang di negara sub-tropis akan tetapi potensi energi angin ini masih dapat dimanfaatkan. Salah

satu pemanfaatannya yaitu dengan cara membangun Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB),

dengan menggunakan generator skala mikro.

Proses konversi energi angin menjadi listrik memerlukan sebuah generator. Fungsi generator

listrik adalah merubah energi mekanik menjadi energi listrik dengan menggunakan induksi

elektromagnetik. Tipe generator yang cocok digunakan adalah tipe generator magnet permanen

fluks tiga fasa, karena generator tersebut sangat efisien dan mampu bekerja dengan baik pada

kecepatan putar yang rendah. pembuatan dan pengembangan generator magnet permanen

memberikan kemudahan dalam mendisain generator dengan kapasitas daya, tegangan, dan kecepatan

putar tertentu, dengan mengubah parameternya seperti kekuatan fluks magnet, jumlah lilitan

kumparan dan belitannya, jumlah magnet serta ukuran diameter kawat.

Teknologi generator mengalami perkembangan dari tahun ke tahun dan terus meningkat

mulai dari bentuk, desain, ukuran, material yang digunalkan serta mengalami peningkatan efisiensi

daya output dari generator tersebut. Perkembangan teknologi generator ini tidak lepas dengan adanya

software untuk mendesain mesin-mesin listrik. Salah satu software yang digunakan untuk

mensimulasikannya adalah software MagNet Infolytica 7.5 yang berbasis Finite Element Method

(FEM). FEM merupakan metode yang dapat digunakan untuk menghitung distribusi dari medan

elektromagnetik secara kompleks dan sudah terbukti secara efektif. Metode ini dapat melakukan

analisa distribusi fluks magnet yang berasal dari magnet permanen seperti menghitung beberapa

parameter seperti torsi cogging, armature, dan nilai induktansi.

Penelitian M. Chorul Anam dkk merancang sebuah generator 100 watt menggunakan

software MagNet Infolytica 7.5. pada penelitiannya menyatakan bahwa generator yang dirancang

yaitu tipe radial fluks dengan memilih kombinasi 12 slot 8 pole, diameter 13 cm, ketebalan 5 cm,

serta menggunakan 12 lilitan diputar dengan 100 rpm dan frekuensi 66,667 Hz. Hasil dari rancangan

generator tanpa beban yaitu tegangan sebesar 21,65 volt, arus sebesar 0 ampere dan untuk rancangan

3

generator dengan beban didapatkan output tegangan sebesar 23,89 dan arusnya sebesar 5 ampere.

(M. Chairul Anam, 2016).

Penelitian tugas akhir ini adalah Pengujian RancanganPermanent Magnet Synchronous

Generator (PMSG) 12 slot 8 pole menggunakan software MagNet Infolytica 7.5 yang berbasis Finite

Element Method (FEM), dengan uji coba simulasi tanpa beban dan berbeban menggunakan variasi

rpm dan variasi beban. Sebelum generator dibuat dilakukan analisa dengan software terlebih dahulu.

Tujuannya untuk mensimulasikan variasi model generator, jumlah lilitan, geometri bentuk umbrella,

ketebalan, jenis bahan, kecepatan putar, hingga efisiensi dan daya keluaran yang diinginkan.

Harapannya setelah dilakukan analisa dan simulasi menggunakan software pada parameter-

parameter di atas, dapat menunjang perkembangan penelitian generator di Indonesia, khususnya

dalam pemanfaatan energi terbarukan yaitu energi angin. Generator menghasilkan frekuensi listrik

yang sinkron terhadap putaran mekanis generator tersebut. Hal ini dapat dilihat dari persaman

berikut ini.

(1)

Keterangan :

f = frekuensi (Hz)

p = jumlah kutub rotor

n = kecepatan putar rotor (rpm)

2. METODE

2.1 Rancangan Penelitian

Ada beberapa tahapan yang digunakan penulis dalam penyusunan laporan tugas akhir. Tahap

– tahap penelitian ini merupakan garis besar dari pelaksanaan sebuah penelitian yang tercantum

pada flowchart sebagai berikut.

4

Gambar 1. Flowchart tahap-tahap penelitian

2.2 Rancangan Generator

Perancangan generator dilakukan dengan memperhitungkan segala sisi aspek mulai dari

rotor, stator, magnet dan lain-lain. Dalam perancangan model generator nantinya akan dibuat

simulasi pada software MagNet Infolytica 7.5 berbasis Finite Element Method (FEM), berikut

gambar perancangan model PMSG 12 slot 8 pole dan komponen utamanya.

Gambar 2. Rancangan model generator dalam garis .

5

Gambar 2 merupakan rancangan model garis generator magnet permanent 12 slot 8 pole yang

disimulasikan dengan software. Parameter tetap untuk perancangan generator magnet permanen 12

slot 8 pole dapat dilihat pada tabel berikut.

Tabel 1. Parameter awal generator magnet permanen

Adapun jenis bahan yang digunakan dalam rancangan generator magnet permanen 12 slot 8

pole dapat dilihat dalam tabel berikut.

Tabel 2. Material komponen generator

No Komponen Material

1 Stator Carpenter: Silicon Steel

2 Rotor Carpenter: Silicon Steel

3 Coil Copper: 577e7 Siemens/meter

4 Magnet NdFeB

5 Airbox AIR

Salah satu contoh hasil perancangan generator magnet permanen 12 slot 8 pole dengan

menggunakan data-data tabel 1 dan 2 dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar 3. Full model generator Gambar 4. Komponen utama generator.

magnet permanen.

PARAMETER AWAL GENERATOR MAGNET PERMANEN

VARIABEL SIMBOL NILAI UNITS

Diameter Luar Stator Db 150 mm

Diameter Dalam Stator Dc 100 mm

Diameter Lubang Slot De 134 mm

Diameter Rotor Dr 92 mm

Diameter Luar Magnet Di 98 mm

Diameter Dalam Magnet Da 92 mm

Tebal Magnet Lm 3 mm

Lebar Cela Udara Ig 2 mm

6

Gambar 3 merupakan hasil perancangan generator full model magnet permanen 12 slot 8

pole dari data-data tersebut. Perancangan generator dapat dilakukan secara full model atau hanya ¼

bagian saja, karena model selalu berulang setiap 90° sehingga dapat disimulasikan dengan ¼ bagian

ataupun full model. Kemudian pada gambar 4 merupakan komponen utama generator yang terdiri

dari Air Box, Stator, Coil/ Kumparan, Air Gap, Magnet dan Rotor. Pada rancangan generator ini juga

dilakuakan penelitian uji simulasi tanpa beban dan berbeban dengan variasi rpm dan variasi beban.

Dalam simulasi ini generator akan diputar dengan kecepatan minimum 500 RPM dan maksimum

2000 RPM, kecepatan tersebut merupakan kecepatan sinkron pada generator. Berikut tabel mengenai

uji simulasi generator yang akan dibuat.

Tabel 3. Variabel Uji coba simulasi generator

SIMULASI RPM Beban (Ω)

Tanpa beban

500 0

1000 0

1500 0

2000 0

Berbeban

500 10

1000 15

1500 20

2000 25

2.3 Persamaan Daya Keluaran dan Torsi Generator

a) Torsi Generator

(2)

(3)

Dimana Kt = Ke T = Kt.I (4)

Keterangan :

ω : Kecepatan sudut (rad/s)

n : Kecepatan (rpm)

Ke : Konstanta EMF

Kt : Konstanta Torsi

T : Torsi

I : Arus (ampere)

b) Daya Generator

(5)

7

Keterangan :

Pin : Daya Masukan (w)

τ : Torsi (Nm)

n : Kecepatan (rpm)

(6)

Keterangan :

Pout : Daya Keluaran (w)

I : Arus (ampere)

V : Tegangan (volt)

c) Efisiensi

% (7)

Keterangan :

ᶯ : Efisiensi (%)

Pout : Daya Keluaran (w)

Pin : Daya Masukan (w)

2.4 Software MagNet Infolytical

Software MagNet Infolytica menyediakan laboratorium virtual yang bisa digunakan untuk

membuat perancangan model generator serta dapat memilih sendiri bahan material yang digunakan

sebagai bahan inti besi, magnetik maupun bahan lilitan. berikut adalah tampilan full model

Permanent Magnet Synchronous Generator 12 slot 8 pole pada software MagNet Infolytica 7.5.

Gambar 5. Tampilan utama generator Full model pada software MagNet Infolytica 7.5

8

Gambar 5 merupakan tampilan utama software MagNet Infolytica. MagNet Infolytica

dirancang sebagai perangkat lunak pemodelan dua dimensi dan tiga dimensi beserta pemecahan

masalah elektromagnetik. Alat-alat yang bisa disimulasikan software MagNet Infolytica dapat berupa

motor atau generator, solenoid, dan transformator atau beberapa peralatan yang menggunakan

kumparan atau magnet permanen.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1 Rerancangan Permanent Magnet Synchronous Generator 12 Slot 8 Pole

Rerancangan generator yang dirancang yaitu model generator 12 slot 8 pole 3 fasa dengan

menggunakan magnet permanen. Rerancangan generator magnet permanen ini digunakan untuk

memperoleh data keluaran dan efisiensi generator pada kecepatan 500, 1000, 1500, dan 2000 RPM.

Gambar 6. Full model generator magnet Gambar 7. Aliran fluks pada generator.

Permanent 12 slot 8 pole.

Gambar 6 merupakan hasil perancangan full model generator magnet permanen 12 slot 8

pole, sedangkan gambar 7 merupakan gambaran aliran fluks yang menunjukkan bahwa semakin

berwarna merah maka kerapatan fluksnya semakin tinggi.

3.2 Pembuatan Rangkaian

Berdasarkan simulasi generator magnet permanen 12 slot 8 pole ini memiliki tahapan

pembuatan rangkaian, karena setiap simulasi atau pengujian generator yang menggunakan software

Magnet Infolytica memiliki perbedaan rangkaian, baik untuk pengujian generator tanpa beban

maupun generator berbeban. Berikut merupakan rangkaian tanpa beban serta rangkain yang memiliki

beban pada software Magnet Infolytica.

9

Gambar 8. Rangkaian Tanpa beban.

Gambar 9. Rangkaian pembebanan (pada beban 20 ohm)

3.3 Hasil simulasi generator

3.3.1 Hasil uji simulasi tanpa beban dengan variasi kecepatan putar (RPM)

Berikut adalah hasil uji simulasi tanpa beban dengan perubahan nilai kecepatan putar (RPM).

Gambar 10. Grafik tegangan hasil simulasi tanpa beban.

10

Gambar 10 menggambarkan hubungan antara tegangan output dengan kecepatan putar.

Perubahan tegangan output terhadap kecepatan putar generator tanpa beban dapat dilihat tiap

kenaikan kecepatan putar nilai tegangan output mengalami kenaikan. perbandingan masing-masing

nilai tegangan menunjukan bahwa semakin tinggi kecepatan putar maka akan menaikkan besar

tegangan output.

3.3.2 Hasil simulasi variasi beban R dan kecepatan putar (RPM)

Berikut adalah hasil dari uji simulasi dengan perubahan variasi parameter beban dan nilai kecepatan

putar (RPM).

a) Tegangan

Gambar 11. Grafik hasil nilai tegangan dengan variasi beban dan kecepatan.

Gambar 11 di atas menggambarkan pengaruh perubahan kecepatan putar terhadap tegangan

dengan berbagai variasi beban generator. Terlihat bahwa semakin tinggi kecepatan putar dan beban

maka akan menaikkan besar tegangan output. Pada tiap kecepatan putar yang sama, terlihat nilai

tegangan akan semakin tinggi pada beban yang lebih tinggi. Hal ini dikarenakan untuk mengejar

kecepatan putar tertentu dengan cara menyesuaikan Pinput. Putaran yang cepat akan membutuhkan

Pinput lebih besar, sehingga tegangan juga akan lebih besar.

11

b) Arus

Gambar 12. Grafik hasil nilai arus dengan variasi beban dan kecepatan.

Gambar 12 di atas menggambarkan pengaruh perubahan kecepatan putar terhadap nilai arus

dengan berbagai variasi beban generator. Terlihat bahwa semakin tinggi kecepatan putar dan beban

maka akan menurunkan nilai arus. Pada tiap kecepatan putar yang sama, dapat dilihat nilai arus akan

semakin kecil pada beban yang lebih tinggi. Sebaliknya tiap kecepatan putar yang sama dengan

beban yang lebih kecil maka nilai arus akan semakin tinggi.

c) Torsi

Gambar 13. Grafik hasil nilai Torsi dengan variasi beban dan kecepatan.

Gambar 13 di atas menggambarkan pengaruh perubahan kecepatan putar terhadap nilai torsi

dengan beban. Semakin tinggi kecepatan putar dan beban maka nilai torsi akan semakin rendah.

Terlihat tiap kecepatan putar yang sama, nilai torsi akan semakin kecil pada beban yang lebih tinggi.

Sebaliknya tiap kecepatan putar yang sama dan semakin kecil beban maka nilai torsi akan semakin

besar.

12

d) Daya Pinput

Gambar 14. Grafik hasil nilai daya Pinput dengan variasi beban dan kecepatan.

Gambar 14 di atas menggambarkan pengaruh perubahan kecepatan putar teradap nilai daya

input dengan beban. Semakin besar kecepatan putar dan semakin kecil beban maka daya input yang

dibutuhkan semakin besar. Terlihat tiap kecepatan putar yang sama, dapat dilihat nilai daya input

semakin besar pada beban yang lebih kecil. Sebaiknya tiap kecepatan putar yang sama dan semakin

besar beban maka daya input yang dibutuhkan semakin rendah.

e) Daya Output

Gambar 15. Grafik hasil nilai Daya keluaran dengan variasi beban dan kecepatan.

Gambar 15 di atas menggambarkan pengaruh perubahan kecepatan putar teradap nilai daya

output dengan beban. Semakin besar kecepatan putar dan semakin kecil beban maka daya output

yang dihasilkan semakin besar. Terliap tiap kecpatan putar yang sama, nilai daya output semakin

besar pada beban yang lebih kecil. Sebaliknya ketika kecepatan putar yang sama dan semakin besar

13

beban maka nilai daya output semakin rendah. Hasil dari nilai daya masukan dan daya keluaran

digunakan untuk mendapatkan nilai efisiensi dari generator dengan cara membandingkan nilai

tersebut.

f) Efisiensi

Gambar 16. Grafik hasil nilai Efisiensi dengan variasi beban dan kecepatan.

Gambar 16 di atas menggambarkan pengaruh perubahan kecepatan putar terhadap nilai

efisiensi pada berbagai variasi beban. Ini diperoleh dari selisih daya input terhadap daya output. Nilai

efisiensi tertinggi ada pada kecepatan putar 500 RPM dengan beban 25 Ohm dan dari grafik di

tersebut menunjukan bahwa besaran nilai efisiensi dari generator sebesar 89%.

4. PENUTUP

Berdasarkan hasil analisa perancangan model Permanent Magnet Synchronous Generator 12 slot 8

pole dengan menggunakan software MagNet infolyticl 7.5 yang berbasis Finite Element Method

(FEM), penulis dapat menyimpulkan bahwa :

a. Generator Permanen Magnet 12 slot 8 pole 3 fasa dirancang full model dan dilakukan uji

simulasi dengan memvariasikan parameter beban dan kecepatan putar (RPM), guna untuk

mengetahui keluaran generator tersebut.

b. Kecepatan putar generator dan besar beban memepengaruhi keluaran tegangan. Semakin

besar kecepatan putar maka semakin besar pula nilai tegangan, sehingga berbanding lurus

dengan nilai beban.

c. Keluaran nilai tegangan tertinggi yaitu 289 V pada kecepatan putar 2000 RPM beban 25

Ohm.

d. Uji simulai dengan nilai efisiensi tertinggi terjadi pada kecepatan putar 500 RPM dengan

beban 25 Ohm dengan niali sebesar 89%.

14

PERSANTUNAN

Alhamdulillah senantiasa penulis menyampaikan terima kasih atas support dan dukungan dari

pihak-pihak yang membantu penulis dalam menyelesaikan tugas akhir. Penulis menyampaikan

terima kasih kepada:

1) Syukur Alhamdulillah kepada Allah SWT dan Nabi Muhammad SAW atas segala nikmat

dan hidayah-NYA.

2) Bapak Sumito dan Ibu Sudarmini selaku orang tua penulis yang selalu memberi dukungan

dalam mengerjakan tugas akhir dan tak henti-hentinya mendoakan kesuksesan penulis.

3) Bang Riky Elson dan segenap Tim LBN, karena dari sanalah ide membuat tugas akhir ini

tercipta.

4) Bapak Aris Budiman, S.T,M.T selaku dosen pembimbing dalam tugas akhir ini.

5) Ilham Alrino, Malik Ibrahim, dan teman-teman kos ceria lainnya yang tidak bisa saya

sebutkan satu-persatu yang telah memberikan motivasi dan bantuan.

6) Rekan-rekan Mahasiswa Angkatan 2016 yang telah memberikan dukungan dan bentuan.

7) Serta kepada semua teman-teman yang tidak bisa saya sebutkan satu-persatu.

DAFTAR PUSTAKA

Ayu Martha Lestari. 2018. "Analisa Harmonisa Pada Generator 12 Slot 8 Pole Dengan Software

MagNet". Universitas Jember.

Chapman. J Stephen. 2012. "Electric Machinery Fundamental". McGraw-Hill, New York.

Choirul Anam, M., Nurhadi, Irfan, M., 2016. "Perancangan Generator 100 Watt Menggunakan

Software MagNet Elektomagnetik Infolytical". Jurnal Kinetik, Vol. 2, No.1, Februari 2017,

Hal. 27-36. Universitas Muhammadiyah Malang.

J.R. Handershot and THE Miller. 1994. "Design of Bruchless Permanent-Magnet Motor". Oxford :

Magna Physic Publishing and Clarendo Press.

Wawan Kurniawan, M., Reza Fauzi, Ahmad Qurthobi. (2017)." Studi Pengaruh Geometri Umbrella

Terhadap Daya Keluaran Generator 12S8P Untuk Turbin Angin Menggunakan Software

MagNet".Jurnal e-Proceeding of Engineering : Vol.6, No.2 Agustus 2019, page 5462.

Universitas Telkom.

Mario Sumantri, Satyo Nurhadi. 2017. "Analisa Pengaruh Vriasi Slot dan Pole Terhadap Tegangan

Dan Efisiensi Daya Pada Perancangan Generator Magnet Permanen Menggunakan Software

MagNet. Universitas Teknologi Yogyakarta.

15

Piggot H. 2000. "Windopower Workshop". Peninsula, British Wind Energy Association.

Tim Penulis LBN. 2014. "Pengenalan Teknologi Pemanfaatan Energi Angin", Lentera Bumi

Nusantara. Tasikmalaya, Jawa Barat.

Tim Penulis LBN. 2015. "Tutorial Perancangan Motor Dengn Softwware MagNet", Lentera Bumi

Nusantara. Tasikmalaya, Jawa Barat.

Yudi Prasetio. 2019. "Analisa Perbandingan Bahan Material Magnet Dalam Pemodelan Permanent

Magnet Synchronous Generator (PMSG) 12 Slot 8 Kutub Dengan Menggunakan Finite Element

Method (FEM) Software". Universitas Muhammadiyah Surakarta